随着世界科学技术和世界经济的迅猛发展, 石油在世界经济发展中的战略地位表现十分突出。目前我国越来越多的油井进入后期开发阶段, 使得这一问题更为重要和紧迫。为提高探测和开采质量, 需要采集大量的井下数据, 近些年来各种测井设备得到非常快速的发展, 这些新型设备需要将采集到的大量的井下数据传输至地面分析处理[1]。测井, 是石油勘探开发过程中不可缺少的重要环节。
1 石油测井系统的现状与问题
目前, 石油测井井下仪器种类繁多, 国内众多厂家生产的井下仪器和国外几大公司的井下仪器的信号各有其特点, 这给地面测井仪器的研制造成了一定的困难。一方面地面仪器最好能兼容多种类型的井下仪器, 提高用户选择井下仪器的灵活性;另一方面地面仪器不能由于兼容性而体积过于庞大, 这会增加成本和不可靠因素。井下仪器上传的信号有深度信号、模拟量信号、脉冲信号、曼彻斯特编码信号等[2]。各种井下仪器在传输信号上的不同主要是编码信号的不同。在早期的和现有的多数地面仪器中, 编码和解码的工作是由专用芯片来完成的, 每种编码信号的调制解调都需要一块专用接口板, 如需配接不同传输格式的井下仪, 地面仪器就得配接不同的地面接口。这大大增加了地面仪器的难度。兼容不同传输方式的井下仪器越多, 接口板就越多, 地面仪器越复杂、庞大, 造成了地面仪器可靠性随之下降。
2 石油测井系统组成
目前完整的石油测井系统可以分为井上设备和井下设备, 井下设备由多种不同用途的传感器和电缆遥测短节构成。将多只测井仪器组合在一起, 首先要考虑各只仪器之间能否组合在一起;其次是各只仪器怎样组合在一起。从信号传输及电路设计的角度来看这个问题, 就是每个仪器采集的信号怎样汇集在一起, 按统一的顺序发送到地面系统中, 以便于地面系统确认和识别。电缆遥测短节的作用是与井下其他测量具体参数的仪器之间建立一条内部总线进行通讯, 各测量仪器挂载于总线上, 通过串口按照一定协议传输信号[3]。总的看来, 井下仪器部分负责采集数据, 然后将其传送给多参数组合测井仪系统。井上设备部分由多参数组合测井仪、PC机、直流电源、绘图仪构成。其中直流电源负责给多参数组合测井仪器供应所需要的各种直流电压。多参数组合测井仪负责与井下仪器进行通信, 接收井下传感器上传的各种模拟信号以及接收外部的深度信号, 其他仪器的脉冲信号等。
3 石油测井系统硬件设计
目前现有的系统的设计对模拟信号的处理多采用电路构成的模拟滤波。不同的信号通路选用不同的电路构成需要的模拟滤波器等电路。对于编码信号多采用专用的编解码芯片, 专用的编解码芯片的应用相对比较简单, 功能也相对比较完善。脉冲信号的处理与模拟信号的缺点相似, 虽然电路不是非常复杂, 但是由于信号数目的限制, 处理电路在体积上还是难以缩减。本系统的硬件设计特点是使得多个通路的信号复用一个信号采集处理的通路, 相比现有的技术方案减少了硬件的信号处理电路, 并将各个通路复用为一个通路实现采集, 处理等功能。
与一般的现有的设备相比较, 本系统的硬件架构非常的简洁。本设计的主要思想是搭建通用的信号采集通路, 通过时分复用的方式对多路不同的信号进行采样, 对于各路信号需要不同的处理, 可以在嵌入式系统中运行不同参数的处理函数来满足系统的要求。
4 石油测井系统软件设计
近年来, 随着电子技术的不断进步, 嵌入式系统开发己成为热点, 而Linux作为一个自由软件, 也得到了极大的发展, 嵌入式系统与Linux的结合, 正日益被人们看好[4]。Linux自身具备一整套工具链, 容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境, 并且可以跨越嵌入式系统开发中的仿真工具的障碍。Linux具有内核小, 效率高, 源代码开放等优点。强大的网络支持使得可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议。一个基本的嵌入式操作系统应包括: (1) 引导程序。能实现系统的快速引导, 提供瞬间开机功能。负责将Linux核加载到内存, 并将控制权交给内核初始化程序。具体工作包括:寻找或将指定的内核映像解压, 解压文件系统[5]。 (2) Linux内核。Linux内核由内存管理、进程管理、定时器中断管理、模块管理、虚拟文件系统、接口文件系统、设备驱动程序、进程问通信、网络管理、系统启动等构成。 (3) 初始化进程。系统在刚刚启动时, 运行于内核方式, 这时候只有一个初始化进程在运行, 他首先做系统的初始化, 然后执行初始化程序。初始化进程是系统的第一个进程, 以后所有的进程都是初始化进程的子进程。 (4) 硬件驱动程序。设备驱动程序是内核的一部分, 它像内核中其它代码一样运行在内核模式。驱动程序如果出错将会使操作系统受到严重破坏, 甚至能使系统崩溃并导致文件系统的破坏和数据丢失[6]。
5 结语
在石油测井系统中使用了嵌入式系统的设计方案, 使得以后对该系统功能的扩充更加容易。利用了USB接口完成系统和PC机的连接通信, 将系统和PC机的通信速率大幅度的提高。组合测井仪的设计只是完成了一部分的工作, 还有相当大的工作量需要完成。今后石油测井仪器进一步工作的重点在于井下仪器的配置, 系统结构的设计, 地面系统软件的开发。
摘要：本文首先简单的介绍了石油测井系统的现状和存在问题, 基于嵌入式处理器的石油测井仪器的设计与实现, 依据对多路信号时分复用的原理, 研究了在单一的采集通道中实现对多路信号的采集方法, 设计多路复用的测井仪器硬件系统, 实现了测井仪器的小型化以及对信号处理的数字化。
关键词：石油测井,硬件设计,信号,软件设计
参考文献
[1] 常杰锋.测井仪器通用CAN总线接口设计与实现[D].华中科技大学, 2007.
[2] 张向林, 刘新茹, 刘向汉.中国测井技术的发展方向[J].吐哈油气, 2008 (1) .
[3] 汪俊琦, 赵京红。EXCELL2000G测井系统与PC机的数据快速传输[J].石油和化工设备, 2010 (1) .
[4] 张峰峰, 潘明, 韦海旋, 等.嵌入式U盘读写器接口技术和系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2006 (11) .
[5] 周树槐, 韦克平.数控测井系统小型化和模块化设计[J].电子测量技术, 2006 (4) .
[6] 曾杰.便携式生产测井地面系统设计方案[J].江汉石油职工大学学报, 2005 (2) .